专利名称：具有改进性能的聚对苯二甲酸亚丙基酯树脂的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有低污染物形成速率和低残留污染物含量的聚对苯二甲酸亚丙基酯(PTT)树脂，还涉及一种生产这种树脂的方法和由所述树脂得到的制品。
通常，用于生产地毯、织物(服装、家用纺织品、工业纺织品)用的纤丝、纤维和纺绒(spin-fleeces)及另外用于生产薄膜和塑料材料的聚对苯二甲酸亚丙基酯树脂的特性粘度通常高于0.75dl/g。具有这种特性粘度值的树脂可以通过对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯与丙二醇的完全熔融缩聚法获得，或者通过熔融缩聚和固态缩聚两步法获得，然而在第一缩聚反应中特性粘度通常不会高于0.6～0.7dl/g，于是必须通过固态缩聚(SSP)来提高树脂粘度。
例如按照US 6 277 947中说明的方式实施完全熔融法，例如在WO97/23543中公开了熔融加SSP法。
SSP反应可以通过如下方式进行在惰性气流(氮气或其它气体)中，将结晶后的树脂粒料加热至约180～230℃持续足够长的时间以获得预期的IV值。
在树脂造粒和处理步骤例如挤出切片以纺出地毯、织物(服装、家用纺织品、工业纺织品)用的纤丝、纤维和绒线和另外生产薄膜和塑料材料的过程中产生大量污染物。
在污染物中丙烯醛占主导地位。所述制品中的残留丙烯醛含量可以超过高达50ppm，280℃下测定的丙烯醛形成速率可高于30ppm/min。
与其它污染物的存在类似，丙烯醛的存在会对PTT制品的应用产生负面影响，特别是在温度高于60℃的情况下。
因此，希望人类环境中使用的这种树脂的丙烯醛含量尽可能最低。
同样也希望与服装和家用纺织品没有关系的制品具有低的残留丙烯醛含量。
为了获得具有低残留丙烯醛含量的制品，初始树脂必须不仅具有低丙烯醛含量，而且优选在用于制备制品的加工温度下和在其应用的热条件下(即在集中暴露于太阳光下、熨烫或干燥期间)具有低丙烯醛形成速率。
获得具有低丙烯醛形成速率的聚对苯二甲酸亚丙基酯树脂的方法是已知的。人们发现当在空气中加热/老化时PTT热稳定剂和抗氧化剂可以减少PTT中丙烯醛的形成，正如在US 6,093,786和US 6,242,558中公开的。但是，认为含有这些添加剂的PTT会存在于环境温度下表现出相当大的残留丙烯醛形成速率的缺点。
EP-A 1 142 955公开了一种含有氧化钛的PTT树脂组合物。含有氧化钛的PTT存在的问题是与不含氧化钛的PTT相比这种PTT会形成大量丙烯醛和烯丙醇。因此，在EP-A 1 142 955中，为了抑制副产物例如丙烯醛和烯丙醇的产生，在磷化合物和/或受阻酚的存在下进行缩聚反应。
可以通过在缩聚之前或期间向反应混合物中添加碱性金属盐的方式而减少在PTT的制备过程中作为丙烯醛预制产物生成的双丙甘醇(US2002/010310 A1)。
在WO 01/81447中公开了一种其中双丙甘醇单体单元量减少的PTT聚合物。不用加入任何稳定剂就可以获得该组合物，并且当在空气中加热时其产生丙烯醛的倾向降低。
WO 00/58393公开了作为3-羟基丙氧基封端的聚合物用的稳定添加剂的熔融稳定的脂族和芳族胺类和酰胺类，其可减少这类聚合物(例如PTT)释放的丙烯醛。
已经令人惊讶地发现可以通过含有聚对苯二甲酸亚丙基酯(PTT)的组合物来减少聚对苯二甲酸亚丙基酯(PTT)树脂释放的丙烯醛，其中所述组合物可以通过将熔融的聚对苯二甲酸亚丙基酯(PTT)树脂与有效量的熔融不稳定的有机含氮稳定化合物接触而获得。
术语“熔融不稳定”是指所述有机的含氮稳定化合物的分解温度比在约250～280℃下加工时PTT熔体的常规温度低。所述的化合物的分解温度不是在PTT熔体本身中测定的，而是通过常用的分析方法(例如Kofler热台)测定的。这些方法和分解温度通常可从文献中获知(例如，Handbookof Chemistry and Physics，第83版，CRC出版社，Boca Raton，2002)。
本发明首次提供了一种在280℃下丙烯醛形成速率低于15ppm/min、优选低于1ppm/min、特别低于0.1ppm/min的聚对苯二甲酸亚丙基酯(PTT)树脂组合物。本发明的PTT树脂组合物的特点有利地是＜5ppm、优选＜1ppm、最优选＜0.1ppm的低丙烯醛含量。
可以当PTT处于熔融态时向该PTT中添加所述化合物或者当PTT处于固态时向该PTT中添加所述化合物，条件是此后通过熔融态加工所述固态PTT，从而使得PTT与添加剂完全混合。
向PTT中添加的化合物的量可以在宽范围内变化。然而，优选该化合物的添加量以PTT总重量计为10～30.000ppm。
含有根据本发明的物质的聚对苯二甲酸亚丙基酯树脂在形成丙烯醛方面的性能是独特的，这是因为通常加入PTT中作为稳定剂和抗氧化剂的化合物不能限制丙烯醛的含量或丙烯醛的形成速率。
在制备所述树脂期间在酯化或酯交换步骤中或者在后续的熔体缩聚步骤中以0.1～1重量％的量将热稳定剂和抗氧化剂加入聚对苯二甲酸亚丙基酯树脂中是已知的。广泛使用的用于稳定目的热稳定剂包括例如磷化合物。广泛使用的抗氧化剂包括例如受阻酚。
从US 6,093,786和US 6,242,558中知道当在反应期间加入有机亚磷酸盐热稳定剂时可以减少PTT聚合期间在馏出物流中产生的丙烯醛，此外还知道向PTT中加入受阻酚抗氧化剂可以导致颜色较少的且当在空气中加热/老化时产生丙烯醛的可能性较小的聚合物。所得的PTT树脂的丙烯醛浓度以PTT计为＞5ppm。
US 6,326,456公开了作为稳定剂的磷化合物、受阻酚酯和有机亚磷酸盐，其可通过重金属离子阻止对PTT熔体热降解的催化作用。
使用以所述聚合物计浓度为10～30.000ppm的根据本发明的化合物，可以将粒料中丙烯醛的浓度减少至＜5ppm，优选＜1ppm，最优选＜0.1ppm。
优选在造粒之前将所述化合物加入PTT熔体中。这些化合物可以减少在重新挤出切片和纺成纤维或加工成其它应用制品后PTT中丙烯醛的含量。本发明人发现所述化合物还可以在固体条件下继续产生作用，所述切片、纤维和其它应用制品中的丙烯醛含量仍旧会减少。
当加热所述PTT制品时，丙烯醛形成速率同样会显著下降。
所述可减少释放丙烯醛的化合物的优选实例是具有以下特点的有机添加剂其分子含有与该分子的碳骨架结合的至少一个氢取代的氮和至少另一个氢取代的杂原子，所述杂原子包括氧、氮或硫。
用于减少PTT释放的丙烯醛的这些添加剂的优选实例选自1-氨基乙醇、N-乙酰乙醇胺、三丙酮二胺、尿囊素、2-氨基-2-甲基-1，3-丙二醇、4-氨基-3-羟基苯甲酸、苯并咪唑酰胺、2-氨基苯甲酸、双苯胺基乙烷、丙二酰胺、邻巯基苯甲酰胺、水杨酰胺、4-氨基水杨酸、N-水杨酰替苯胺、氨基亚氨基甲烷亚磺酸、6-氨基己酸、2-氨基-4-丁酸、N-(2-乙酰胺基)-亚氨基二乙酸，和/或D-葡糖胺。
在另一实施方案中，为减少释放丙烯醛而加入的化合物是氨基酸或氨基酸衍生物。优选的实例选自甘氨酸、N-苯甲酰甘氨酸(马尿酸)、丙氨酸、丝氨酸、脯氨酸、精氨酸、谷氨酰胺和/或半胱氨酸。
此外，已发现了另一组可减少PTT中丙烯醛的化合物是具有式HN＝C(NH2)-R的脒，或者其中R为氢、具有选自-COOH、-OH、-NH2和＝NH的官能端基的C1-C6烷基或C5-C6环烷基或C2-C6亚烷基，或者R为苯基、氨基苯基、羧苯基、羟苯基、苄基。
特别优选的脒包括甲脒、甲脒、乙脒、丙脒、苄脒和/或4-氨基苄脒、和其盐。
此外，下列化合物对丙烯醛产生作用脲和硫脲及其衍生物缩二脲、胍和其衍生物、靛红(2，3-二氢吲哚-2，3-二酮)、2h-3，1-苯并噁嗪-2，4-(1h)-二酮(N-羧氨基苯甲酸酐)、1-甲基脲、N-甲基-对称二苯脲、脲氧化物(carbamidoxide)、邻氨甲酰苯甲酸、N，N’-二乙基硫脲和/或N，N’-二苯基硫脲。
应当注意的是所有上述添加剂可以单独使用或者以两种或更多种化合物的混合物使用。
优选在造粒之前或者在形成模制品或纤维之前在挤出机中或者在所述树脂进行SSP步骤之前通过混合作用将所述化合物加入熔体形式的树脂中。
对处于熔融状态的树脂进行的处理可以有利地在惰性气氛(氮气)中进行，例如通过使惰性气流通过制备所述制品的环境中。还可能在空气中操作，但是获得的结果令人满意的程度较低。
已经发现本发明的另一个方面的是由于在所述熔体中或者当固体树脂在高于180℃的温度下进行SSP的时候或者当固体树脂在制成模制品和纤维之前被重新挤出的时候存在根据本发明的化合物，可以通过使用这些化合物与热稳定剂和抗氧化剂来避免着色问题。正如已经指出的，抗氧化剂与所述丙烯醛转化化合物可以同时用于根据本发明的方法中。
所述抗氧化剂优选包括具有式P(OR)3的亚磷酸酯，其中R相同或不同，并且为烷基或芳基。
同样可以使用具有式OP(OR)3的磷酸酯，其中R具有上述含义。
优选二亚磷酸酯化合物例如“Ultranox 626”或“Ultranox 627”(由General Electric Specialty Chemicals出售的化合物的品牌)。
特别优选的是具有式Z-R-(PO)(OH)2的膦酸衍生物，其中R＝(CH2)n，n＝1～6和Z＝COOH、OH或NH2。
可以使用的其它抗氧化剂是酚抗氧化剂，例如受阻酚化合物，如Ciba-Geigy的化合物“Irganox 1010”或“Irganox 1076”，或者如US 6,093,786和US 6,242,558中讨论的化合物。
PTT可以包含至多20％的其它单体单元如萘二碳酸或羟基苯甲酸或其它二元醇如丁二醇或乙二醇或环己二醇。
根据本发明，与至多20重量％其它聚酯(如聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯和/或共聚对苯二甲酸乙二醇酯)或其组合混合的聚合物可以用作PTT树脂。
具有低丙烯醛形成速率和低丙烯醛含量的特性粘度大于0.75dl/g并且可通过完全熔融法或者通过附加的固态法获得的树脂特别适用于生产地毯、织物(服装、家用纺织品、工业纺织品)用的纤丝、纤维和纺绒和进一步用于生产薄膜和塑料材料，还特别用于要求低丙烯醛含量和低丙烯醛形成速率的任何其他应用。
给出下列实施例作为本发明的非限定性说明。
分析方法通过顶部空间-气相色谱(headspace-GC)测定丙烯醛含量在封闭的管瓶中在氮气气氛下于150℃加热在液氮中研磨过的1g PTT聚合物30分钟。从管瓶的蒸气空间取出样品，转移至装有火焰离子化检测器的气相色谱仪中以分析丙烯醛含量。
通过热解吸-气相色谱测定丙烯醛形成分析之前在液氮中将PTT聚合物磨碎。在氮气流中于280℃下加热200mg样品12分钟。将氮气流通过充满TENAX(注册商标)的阱，在那里从所述气流中除去有机组分。在特定的时间后，通过迅速升温从该阱中除去有机负载物，通过氮气流将其转移至气相色谱仪(FID)，在那里作进一步分析。
特性粘度(IV)称量125～145mg聚合物装入圆柱形溶解容器中，加入25ml苯酚/1，2二氯苯(60∶40w.w.)。在135℃下搅拌该样品20分钟并冷却。于25℃下在乌氏粘度计中测定该溶液的IV。
实施例1.干燥PTT切片(10小时，130℃)，将其与含氮化合物粉末混合，通过Husmann挤出机型号ES 30挤出，于260℃下吞吐量为6kg/h。在4分钟内将该熔体通过9个基础混合管线(DN15 SMX，Sulzer)，并纺成细线。通过2m长的水浴冷却所述细线，并通过Scheer实验室切割机将其粒化成PTT切片。干燥该切片(10小时，130℃)，并准备样品以分析丙烯醛含量。
2.对比实施例，切片如实施例1中所述，在相同条件下重新挤出不含本发明的添加剂的PTT切片，并准备样品以分析丙烯醛含量。
3.对比实施例，纤丝于130℃下在转筒式干燥器中干燥特性粘度为0.91dl/g、结晶温度为71℃和玻璃化转变温度为46℃的Corterra-型结晶PTT切片(美国壳牌石油公司)至水含量为11ppm。在Barmag公司的3E4挤出机中将所述切片熔融使得熔体温度达到254℃。然后通过生产线将熔体传送至纺丝泵，并供入纺丝泵，其中将供至纺丝组件的熔体吞吐量控制为76.1g/min。通过直径为80mm、具有48个直径为0.25mm、孔的长为0.75mm的喷嘴板将熔体挤出。喷嘴压力达到约120巴。
随后，在具有错流冷却系统的长度为1500mm的送风井中冷却所述纤丝。冷却空气的速率为0.55m/sec、温度为18℃、相对湿度为80％。为该纤丝提供纺丝制剂，并借助上油装置在距喷嘴1500mm处使其成束。该上油装置具有TriboFil表面。所用制剂的量相对于丝线的重量为0.40％。
此后，通过使用由两个双辊组成的导丝辊系统将成束的复丝纱线牵引出来，其中复丝纱线环绕每个双辊一次。第一双辊上的卷取速度达2,987m/min，第二双辊上的牵伸速度达3,000m/min。
最后，以3,075m/min的卷绕速度在型号SW6卷绕机(德国BARMAG)上卷绕热处理过的复丝纱线。
该复丝纱线的纤度为248dtex，抗张强度为24.1cN/tex，断裂伸长率为105％。
4.干燥后将实施例3中所用的Croterra PTT切片与0.15重量％干燥的醋酸甲脒混合，并按照与实施例3中相同的方式处理。所得的纤丝的纤度为248dtex，抗张强度为23.6cN/tex，断裂伸长率为106％。
5.在解吸装置中装满重新挤出的磨碎的PTT粒状样品和POY细线以解吸和分析丙烯醛。下表显示出了分析结果
6.通过顶部空间-气相色谱法分析PTT样品以检测重新挤出的聚合物和纤丝中的丙烯醛浓度。下表示出了结果
7.重复顶部空间-气相色谱法以分析在25℃下储存样品后PTT切片中的丙烯醛
8.在下列实验中，将含氮的稳定化合物与干燥的PTT混合，随后重新挤出该组合物。下表显示了在重新挤出的PTT组合物中的丙烯醛含量。所述化合物的分解温度来自文献。
1)文献1.Handbook of Chemistry and Physics，第85版2.Catalogue of Chemicals，Merck KGaA，Darmstadt，德国3.Chemical dictionary Chempros，a venture of A.G.Neochem Pvt.Ltd.(www.chempros.com/knowledgebase)4.Zone melting of organic chemicals，E.F.G.Herring，John Wiley & Sons19635.Amino acids，Ajinomoto Co.出版，日本2002(www.ajinomoto.co.jp)6.Catalogue of Chemicals，chemistry department，FU Berlin，德国7.Manual 0001192EM Industries，Inc.，Rona，Hawthorne，NY(www.suppliercd.com/scd10/Rona0001)8.Injection molding，processing guide for CapronNylon；HoneywellPlastics上述结果表明分解温度低于PTT加工温度的含氮有机化合物(熔融不稳定化合物)对重新挤出的PTT中的丙烯醛含量起到大大降低的作用。不添加任何稳定化合物(样品17)时残留丙烯醛含量为大约10倍高。在PTT的加工条件下稳定的含氮化合物(6-己内酰胺和聚酰胺6，样品18和19)与根据本发明的熔融不稳定化合物相比其减少丙烯醛的作用显著较低。
权利要求
1.一种含有聚对苯二甲酸亚丙基酯(PTT)的组合物，其中所述组合物可以通过将熔融的聚对苯二甲酸亚丙基酯(PTT)树脂与有效量的熔融不稳定的有机含氮稳定化合物接触而获得，而所述接触使得从所述树脂中释放丙烯醛减少。
2.根据权利要求1的组合物，其中所述组合物在280℃下的丙烯醛形成速率小于15ppm/min。
3.根据权利要求1或2的组合物，其中所述组合物在280℃下的丙烯醛形成速率小于1ppm/min。
4.根据前述权利要求中任一项的组合物，其中所述组合物在280℃下的丙烯醛形成速率小于0.1ppm/min。
5.根据前述权利要求中任一项的组合物，其中残留丙烯醛含量小于5ppm。
6.根据权利要求5的组合物，其特征在于残留丙烯醛含量小于1ppm。
7.根据权利要求5或6的组合物，其特征在于残留丙烯醛含量小于0.1ppm。
8.根据权利要求1的组合物，其中所述化合物的添加量以PTT树脂总重量计为10～30.000ppm。
9.根据权利要求1-8的组合物，其中待加入的化合物选自分子结构中含有与该分子结构的碳骨架结合的至少一个氢取代的氮和至少另一个氢取代的杂原子的物质，所述杂原子包括氧、氮或硫。
10.根据权利要求9的组合物，其中待加入的化合物选自1-氨基乙醇、N-乙酰乙醇胺、三丙酮二胺、尿囊素、2-氨基-2-甲基-1，3-丙二醇、4-氨基-3-羟基苯甲酸、苯并咪唑酰胺、2-氨基苯甲酸、双苯胺基乙烷、丙二酰胺、邻巯基苯甲酰胺、水杨酰胺、4-氨基水杨酸、N-水杨酰替苯胺、氨基亚氨基甲烷亚磺酸、6-氨基己酸、2-氨基-4-丁酸、N-(2-乙酰胺基)-亚氨基二乙酸，和/或D-葡糖胺。
11.根据权利要求1-8的组合物，其中待加入的化合物为氨基酸或氨基酸衍生物。
12.根据权利要求11的组合物，其中待加入的化合物选自甘氨酸、N-苯甲酰甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、脯氨酸、精氨酸、谷氨酰胺和半胱氨酸。
13.根据权利要求1-8的组合物，其中待加入的化合物是具有式HN＝C(NH2)-R的脒，其中R为具有选自-COOH、-OH、-NH2、＝NH的官能端基的C1-C6烷基或C5-C6环烷基或C2-C6亚烷基，或者R选自苯基、氨基苯基、羧苯基、羟苯基和苄基。
14.根据权利要求13的组合物，其中待加入的化合物为甲脒、乙脒、丙脒、苄脒和/或4-氨基苄脒。
15.根据权利要求1-8的组合物，其中加入的化合物选自脲、硫脲、缩二脲、胍和其衍生物、靛红(2，3-二氢吲哚-2，3-二酮)、2h-3，1-苯并噁嗪-2，4-(1h)-二酮(N-羧氨基苯甲酸酐)、1-甲基脲、N-甲基-对称二苯脲、脲氧化物、邻氨甲酰苯甲酸、N，N’-二乙基硫脲和/或N，N’-二苯基硫脲。
16.根据前述权利要求中任一项的组合物，其中所述组合物的特性粘度大于0.7dl/g。
17.根据前述权利要求中任一项的组合物，其中所述组合物含有至多20重量％的聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯和/或共聚对苯二甲酸乙二醇酯。
18.根据前述权利要求中任一项的组合物，其中所述组合物含有一种或多种选自以下物质的聚合物稳定剂含磷的酸、磷酸、磷酸的烷基酯、磷酸的羟烷基酯、二亚磷酸酯和膦酸，所述物质以其中的磷计浓度为1～200ppm。
19.根据权利要求18的组合物，其中所述膦酸选自2-羧基烷基膦酸、2-羟基烷基膦酸、2-氨基烷基膦酸，其中烷基选自甲基、丙基、丁基、戊基和己基。
20.根据前述权利要求中任一项的组合物，其中所述组合物含有浓度为0.1～3重量％的热-氧化聚合物稳定剂作为酚抗氧化剂，例如受阻酚化合物。
21.根据前述权利要求中任一项的组合物，其中在惰性气氛中使所述组合物进行固态缩聚反应。
22.一种制备根据权利要求1-21的组合物的方法，其中将熔融不稳定的有机含氮稳定化合物和可选择的热稳定剂和/或抗氧化剂加入熔融态的聚合物中和/或加入所述树脂中，然后将其加工成纤维、纤丝、无纺品、薄膜和/或模制品。
23.由权利要求1-21的组合物获得的丝线、人造纤维、膨化变形纱线(BCF)和无纺品制得的织物、编织品和地毯。
全文摘要
一种包含聚对苯二甲酸亚丙基酯(PTT)的丙烯醛释放减少的组合物，通过将聚对苯二甲酸亚丙基酯树脂与有效量的熔融不稳定的有机含氮稳定化合物接触而获得。这种PTT树脂在280℃下的丙烯醛形成速率小于15ppm/min。PTT树脂的残留丙烯醛含量优选小于5ppm。优选的添加剂化合物包括胺类、氨基酸类、脒、脲和其它N－化合物。将所述添加剂化合物加入熔融态聚合物中和/或加入所述树脂中，然后将其加工成纤维、纤丝、无纺布、薄膜和/或模制品。
文档编号C08K5/16GK1643026SQ03806825
公开日2005年7月20日 申请日期2003年2月20日 优先权日2002年3月23日
发明者E·赛德尔, B·格默尔, K-H·黑尔德曼 申请人:齐默尔股份公司